KR20220124950A - 고압 이산화탄소 정제 및 액화 방지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고압 이산화탄소 정제장치의 재생방법은 흡착제가 채워진 복수 개의 베드에 개질기에서 생산된 이산화탄소를 주입하여 상기 이산화탄소를 정제하는 단계; 상기 정제된 이산화탄소의 일부를 재생용 가스 홀더에 저장하는 단계; 상기 복수 개의 베드를 모니터링하여 상기 복수 개의 베드 중에 잔여 부산물이 기준치 이상 존재하는 베드를 오염베드로 검출하는 단계; 상기 오염베드에 상기 개질기에서 생산된 이산화탄소의 주입을 차단하고, 상기 재생용 가스 홀더에 저장된 정제된 재생용 이산화탄소 가스 및 비활성 기체를 주입하는 단계; 및 상기 오염베드를 통과한 재생용 가스를 벤트하여 배출하는 단계;를 포함한다.

Description

고압 이산화탄소 정제 및 액화 방지 장치{High-pressure carbon dioxide purification and liquefaction prevention device}

본 발명은 고압 이산화탄소를 정제하고 액화를 방지하는 장치에 관한 것이다.

이산화탄소는 화력발전, 철강, 시멘트 및 소각로와 같이 화석연료를 사용하는 산업에서 대량으로 배출되며 지구온난화의 주된 원인으로 주목되고 있다. 이에 따라 전세계적으로 이산화탄소와 같은 온실가스를 감축 및 저감하기 위한 방법들이 연구되고 있다. 하지만 화석연료를 대체할 경제성 있는 신재생 에너지가 개발되기 전까지는 이산화탄소를 배출하는 화석연료의 수요는 여전히 증가할 것으로 전망되고 있다. 화석연료의 안정적인 사용을 위해서는 화석연료의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 대기로 배출하기 전에 고농도로 포집한 후 압축 내지 수송하여 안전하게 저장하는 기술인 이산화탄소 포집 및 저장기술(CCS, Carbon Dioxide Capture & Storage)이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

이러한 이산화탄소 포집 및 저장기술에는 다양한 이산화탄소의 분리 및 회수공법이 적용되고 있으며, 이러한 이산화탄소의 분리 및 회수공법에는 대표적으로 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심랭분리법 등이 있다.

종래의 심랭분리법은 배기가스 중 이산화탄소의 농도가 95 vol% 이상일 경우에는 그 적용이 가능하지만, 이산화탄소 농도가 95 vol% 이하일 경우에는 냉동기의 냉각온도의 한계로 이산화탄소의 회수율이 급격히 저하되고 냉동기의 냉동능력의 한계로 대용량의 배기가스 처리가 불가능하다.

또한, 종래의 심랭분리법은 배기가스 중 이산화탄소 뿐만 아니라 불순물도 함께 압축되기 때문에 에너지가 과다하게 소비될 수 있으며, 배기가스를 약 30bar 근처로 압축하여 -50℃이하의 낮은 온도로 냉각하여 이산화탄소를 분리한 경우 생산되는 이산화탄소의 농도가 약 95 ~ 96 vol%의 순도를 가지고 있기 때문에 상업적으로 이용(99vol% 이상)하기에는 한계가 있었다.

그리고, 종래의 심냉 분리법은 이산화탄소 정제 후 버려지는 벤트가스는 배기가스와 함께 압축됨에 따라 그 자체에 에너지를 가지고 있으며 이를 회수하여야 하는데 이를 위하여 상기의 방법에서는 2개의 히터(Heater) 및 팽창기(Expander)를 사용하였다. 하지만 이러한 방법은 두 번째 히터에서 벤트가스의 가열을 위한 별도의 전기 또는 스팀의 사용이 요구되며, 팽창기에서 높은 팽창비와 높은 운전온도로 운전되기 때문에 다단으로 구성된 팽창기를 요구하지만 현재의 팽창기 기술로는 이와 같은 다단 방식의 팽창기를 사용할 수 없는 단점이 있었다.

또 다른 측면으로, 약 70 ~ 90 vol%의 이산화탄소 농도를 가진 배기가스에 포함되는 불순물은 연료의 종류, 연소조건 등에 따라 크게 다르지만 주로 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소 등이며, 소량의 질소화합물(NOx), 황화합물(SOx) 등을 포함하고 있다. 특히 발전소의 순산소 연소를 통한 배기가스 중 불순물은 질소, 산소, 아르곤이 대부분이며, 제철소의 배기가스 중 불순물은 일산화탄소가 다량으로 포함되어 있다. 이와 같은 불순물은 추가적인 정제과정을 거쳐 재활용 될 수 있으나 현재까지 이와 같은 불순물에 대한 재활용 방법에 대한 논의는 제시되지 못하고 있다.

본 발명은 정제공정을 중단하지 않고 베드의 부산물을 제거할 수 있는 이산화탄소 정제장치의 재생방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 고압 이산화탄소 정제장치의 재생방법은 흡착제가 채워진 복수 개의 베드에 개질기에서 생산된 이산화탄소를 주입하여 상기 이산화탄소를 정제하는 단계; 상기 정제된 이산화탄소의 일부를 재생용 가스 홀더에 저장하는 단계; 상기 복수 개의 베드를 모니터링하여 상기 복수 개의 베드 중에 잔여 부산물이 기준치 이상 존재하는 베드를 오염베드로 검출하는 단계; 상기 오염베드에 상기 개질기에서 생산된 이산화탄소의 주입을 차단하고, 상기 재생용 가스 홀더에 저장된 정제된 재생용 이산화탄소 가스 및 비활성 기체를 주입하는 단계; 및 상기 오염베드를 통과한 재생용 가스를 벤트하여 배출하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 이산화탄소 정제장치의 재생방법에 따르면, 정제공정을 중단하지 않고 베드의 부산물을 제거할 수 있어 비용상 시간상 유리하며 베드를 반영구적으로 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 이산화탄소 정제장치의 재생방법에 이용되는 이산화탄소 정제장치 및 재생장치를 나타낸 구성도이다.

도 1를 참조하면 개질기(10), 베드(21,22,23), 재생용 가스 홀더(40), 제어부(50) 및 밸브(11,12,13,31,32,33,41,42,43,51,52,53)가 도시되어 있다. 도 1의 구성을 참조하여 본 발명의 고압 이산화탄소 정제장치의 재생방법에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.

먼저, 흡착제가 채워진 복수 개의 베드(21,22,23)에 개질기(10)에서 생산된 고압 이산화탄소를 주입하여 고압 이산화탄소를 정제한다.

개질기(10)는 탄화고압 이산화탄소를 분해하여 고압 이산화탄소를 생산하는 장치이다. 고압 이산화탄소는 물의 전기분해, 탄화고압 이산화탄소 연료의 개질, 바이오매스 가스화 그리고 화학공장의 부산물을 통하여 생산될 수 있으나, 기술 및 경제성 문제 때문에 일반적으로 탄화고압 이산화탄소 연료의 수증기를 개질하여 고압 이산화탄소를 생산한다.

개질기(10)에 이용되는 탄화고압 이산화탄소 연료로는 천연가스가 큰 비중을 차지하고 있으며, 천연가스는 메탄을 주 성분으로 하므로 메탄을 분해하면 탄산가스와 고압 이산화탄소가 생성된다.

이렇게 생성된 고압 이산화탄소는 CO, CO2, CH4, N2, O2 및 H2O 등 부산물이 존재하므로 정제장치를 통해 제거된다. 부산물을 제거하기 위해 흡착제를 이용할 수 있다.

베드(21,22,23)는 내부에 흡착제가 채워진 용기로서, 정제장치 중 하나인 PSA(Pressure Swing Adsorption: 압축변동흡착기)의 주요 구성이다. 베드(21,22,23) 내부의 흡착제에 개질기(10)에서 생산된 고압 이산화탄소를 통과시켜 고압 이산화탄소

이외의 부산물을 제거하고 정제된 고압 이산화탄소는 고압 이산화탄소탱크로 이동한다.

복수 개의 베드(21,22,23)를 사용하는 경우 하나의 베드(21)에 문제가 생겨 교체해야하는 경우, 다른 베드(22,23)를 이용하여 정제공정을 지속할 수 있으므로, 공정이 중단되는 것을 방지하여 공정중단으로 인한 비용 및 시간의 손실을 최소화 할 수 있다.

베드에 채워지는 흡착제는 부산물과 잘 결합할 수 있는 흡착성 물질을 이용하며 그 대표적인 예로 활성탄소 또는 지올라이트 등이 이용될 수 있다.

다음으로, 상기 복수 개의 베드(21,22,23)를 모니터링한다(S200) 베드(21,22,23)의 흡착제는 지속적으로 부산물을 흡착하므로 부산물이 베드(21,22,23) 내에 누적정도가 심해지면 정제의 효율이 저하되므로, 교체 또는 재생 시기를 결정하기 위해 부산물이 어느 정도 누적되었는지 점검한다.

점검 방법의 하나로서, 베드(21,22,23)의 온도변화를 모니터링하는 방법을 들 수 있다. 정제공정 중 베드(21,22,23)의 온도가 상승하는데 정제 효율이 떨어지면, 즉 부산물의 농축정도가 심해지면 온도의 상승 폭이 작아지게 되므로 온도변화를 지속적으로 모니터링함으로써, 베드(21,22,23)의 오염정도를 점검할 수 있다.

복수 개의 베드(21,22,23) 중에 잔여 부산물이 기준치 이상 존재하는 일부 베드를 오염베드(21, 이하, 편의상 도 1의 도면번호 21의 베드를 오염베드(21)로 검출된 베드라고 가정하고 설명하도록 한다)로 검출한다.

베드(21,22,23)의 부산물이 일정수준 이상 누적되어 교체시기를 결정하는 기준을 설정하여 그 기준치 이상 부산물이 누적된 베드를 재생공정을 거쳐야할 오염베드(21)로 검출한다.

예를 들어 온도 변화를 모니터링 하는 경우에는 온도 변화의 기울기가 어느 수준 이하로 저하되면 기준치 이상 부산물이 존재하는 것으로 판단하고 재생 공정을 진행한다.

도 1의 제어부는 각 베드(21,22,23)로 부터 오염정도를 측정할 수 있는 데이터(상술한 실시예에 의하면 온도 정보)를 수신하여 모니터링한다. 이때, 제어부는 기 설정된 기준치와 비교하여 오염베드(21)를 추출하고 오염베드(21)를 재생하기 위한 일련의 작업을 수행하기 위해 오염베드(21)와 연결된 벨브(11,21,31,41)의 개폐를 제어한다.

다음으로, 오염베드(21)에 상기 개질기(10)에서 생산된 고압 이산화탄소의 주입을 차단하고, 재생용 가스를 주입한다. 오염베드(21)는 정제 작업을 중단하고 대신에 오염베드(21)의 재생을 위해 재생용 가스를 주입한다. 비활성 기체가 오염베드(21)에 투입되면 오염베드(21)에 흡착된 부산물이 재생용 가스와 함께 배출이 되므로 오염(21)베드는 다시 활용 가능하게 된다.

즉 이때 제어부(50)는 벨브(11)을 폐쇄하여 개질기(10)로부터 고압 이산화탄소를 차단하고, 밸브(31)을 폐쇄하여 고압 이산화탄소탱크와의 연결을 차단하고, 대신에 재생용 가스 홀더(40)와 연결된 파이프의 밸브(41)를 개방한다.

도 1를 참조하면 재생용 가스 홀더(40)가 있는데 재생공정을 위해 오염베드([0032] 21)에 주입하는 비활성 기체를 저장하는 장소이다.

이러한 재생용 가스의 예로서,정제된 고압 이산화탄소를 들 수 있다. 즉, 오염물질을 거의 포함하지 않은 고압 이산화탄소를 의미하며, 부산물이 누적되지 않고 정상적으로 정제작업을 수행하는 베드(22,23)를 통과하여 정제된 고압 이산화탄소를 이용할 수 있다. 이때, 도 1에 도시된 바와 같이 베드(22,23)에서 정제되어 배출된 고압 이산화탄소 중 일부를 재생용 가스홀더(40)에 저장하여 재생공정을 위해 일부 비축해 둘 수 있다. 또한 부산물이 누적되지 않고 정상적으로 정제작업을 수행하는 베드(22,23)로부터 직접 오염베드(21)로 정제된 고압 이산화탄소를 공급할 수도 있다.

이렇게 공급된 고압 이산화탄소는 오염베드(21)에 누적된 부산물과 함께 오염베드(21)를 빠져나오며 이 고압 이산화탄소는 고압 이산화탄소탱크에 저장하지 않고 벤트하여 배출한다(S500) 이렇게 배출된 고압 이산화탄소는 버너에서 연소하여 연료로 사용할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 개질기
11,12,13,31,32,33,41,42,43,51,52,53: 밸브
21,22,23: 베드
40: 재생용 가스 홀더
50: 제어부

Claims (1)

1. 흡착제가 채워진 복수 개의 베드에 개질기에서 생산된 이산화탄소를 주입하여 상기 이산화탄소를 정제하는 단계;
   상기 정제된 이산화탄소의 일부를 재생용 가스 홀더에 저장하는 단계;
   상기 복수 개의 베드를 모니터링하여 상기 복수 개의 베드 중에 잔여 부산물이 기준치 이상 존재하는 베드를 오염베드로 검출하는 단계;
   상기 오염베드에 상기 개질기에서 생산된 이산화탄소의 주입을 차단하고, 상기 재생용 가스 홀더에 저장된 정제된 재생용 이산화탄소 가스 및 비활성 기체를 주입하는 단계; 및
   상기 오염베드를 통과한 재생용 가스를 벤트하여 배출하는 단계;를 포함하는 고압 이산화탄소 정제장치의 재생방법.

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